Table des Matières

4. Stéréoisomérie et stéréochimie

Dans ce chapitre, nous verrons l’importance des structures tridimensionnelles des molécules et les complications que cela implique. Pour les personnes qui possèdent une excellente vision 3D, ce chapitre sera aisé. Par contre, pour tous ceux qui ont des problèmes de visualisation abstraite, il vous très fortement conseillé de porter une attention particulière tout au long de ce chapitre.

Dans ce chapitre
4.1. Chiralité et énantiomérie
4.2. Activité optique
4.3. Configuration absolue, la règle de Cahn-Ingold-Prelog
4.4. Projection de Fisher
4.5. Diastéréoisomères
4.6. Stéréochimie et réactions chimiques
4.7. Résolution des mélanges racémiques
4.8. Exercices de nomenclature
Modèles Moléculaires en format .pdb: Molécules chirales

Nous avons déjà vu ce que l’on a appelé l’isomérie plane. Ainsi, rappelons que deux composés comme le butane et le 2-méthylpropane qui possèdent la même formule brute, C4H10, et qui diffèrent par l’arrangement spatial des atomes des isomères. Il s’agit ici de ce que l’on appelle des isomères structuraux.

On rencontre aussi ce qu’il est convenu d’appeler des isomères de constitutions. Le seul point commun entre des isomères de constitutions est qu’ils possèdent la même formule brute. Par exemple, C2H6O:

CH3—O—CH3méthoxyméthane
CH3—CH2—OHéthanol

Ces molécules possèdent des propriétés physique et chimiques extrêmement différentes.

Il existe aussi les isomères de position. Dans le cas des isomères de position, les différences sont plus subtiles. En effet, les groupements fonctionnels sont les mêmes, mais ils sont placés à des endroits différents.

La stéréoisomérie décrit les isomères dont les atomes sont connectés dans le même ordre, mais qui diffèrent par leur arrangement spatial. Ainsi, on parle des isomères cis-trans stables et les isomères conformationnels qui s’interconvertissent rapidement (Vollhardt p.137).

Toutefois, nous allons aborder un troisième type de stéréoisomérie, celui qui trouve son fondement dans la "chiralité" de certaines molécules.


4.1. Chiralité et énantiomérie (Vollhardt 5.1)

Comme nous l’avons vu, un atome de carbone peut porter quatre substituants. Il existe plusieurs façon d’écrire les structures du méthane (CH4), du chlorométhane (CH3Cl), du dichlorométhane (CH2Cl2) et du chloroforme (CHCl3). Toutefois, il est démontré qu’il n’existe qu’une seule sorte de chloroforme. En fait, on peut démontrer que dès qu’au moins deux substituants d’un atome de carbone sont identiques, il est possible de faire effectuer une rotation autour d’une liaison carbone-carbone pour retrouver la molécule dans une conformation parfaitement identique à sa réflexion dans un miroir (image miroir ou image spéculaire).

C’est ce qui arrive aussi avec des objets comme une chaise, une table, une cuillère, un marteau, une tasse, etc. Par contre, la vie de tous les jours nous montre des objets qui ne sont pas superposables à leur image dans un miroir comme une main, une vis, etc. Lorsqu’un objet n’est pas superposable à son image miroir on dit qu’il est chiral (cheir, grec, main). Si l’objet est superposable à son image miroir, celui-ci est achiral. (Voir Vollhardt p.138 et 139).

En chimie, il existe des molécules qui présentent les même caractéristiques. Prenons par exemple le . Cette molécule présente des deux formes suivantes qui sont l’image miroir l’une de l’autre:

On peut voir que la molécule 2 est la réflexion de la molécule 1 dans le miroir. Toutefois, quelle que soit la rotation qu’on lui fasse effectuer, celle-ci ne retrouve jamais de conformation identique à la molécule 1. Le carbone central d’une telle molécule s’appelle un carbone asymétrique. On dit aussi que c’est un centre chiral.

Deux molécules images miroir l’une de l’autre sont dites des énantiomères.

De plus, certaines molécules possèdent des carbones chiraux, mais sont toutefois superposables à leur image dans un miroir. Par exemple, les molécules suivantes possèdent plusieurs carbones asymétriques:

Par contre, elles possèdent aussi un centre de symétrie ou un plan de symétrie, i.e. un point ou un plan dans l’espace autour duquel tous les atomes sont diamétralement disposés et équidistants. Posséder un centre de symétrie ou un plan de symétrie implique qu’une molécule pourra toujours être superposée à son image miroir.

En corollaire, certaines molécules ne possèdent pas de centres asymétriques, et pourtant elles démontrent une forte chiralité. C’est notamment les cas des hélicènes dont nous reparlerons au chapitre 9. La seule façon de distinguer les structures chirales des structures achirales est de déterminer la symétrie dans les molécules.

Il faut donc se remémorer le fait que le seul critère de chiralité réside dans la nature non superposable d’un objet vis-à-vis de son image spéculaire.

4.1.1. Classes de symétrie (Allinger 6.3)

Nous survolerons les diverses classes de symétrie qui nous permettrons de déterminer la chiralité des molécules.

Les classes de symétrie sont caractérisées par le nombre et la nature des éléments de symétrie présents. À chaque élément de symétrie correspond une opération de symétrie qui, lorsqu’effectuée sur une molécule, conduit en une forme indiscernable de l’original.

Il existe 3 éléments de symétrie importants:

• le plan de symétrie (s)

l’axe propre ou axe simple de rotation d’ordre n (Cn) [axe de symétrie d’ordre n]

l’axe impropre, ou axe de rotation-réflexion d’ordre n (Sn) [axe alternant d’ordre n]

Le plan de symétrie (s) est un plan qui partage l’objet en 2 moitiés telles que l’image miroir de l’une se superpose à la seconde. Exemple, les Figures 5.3 a, b et c (Vollhardt p.140).

L’axe de symétrie d’ordre n (Cn) est obtenu lorsqu’une rotation de 360°/n de l’objet autour de l’axe Cn transforme cet objet en un autre indiscernable de l’original.

L’axe impropre d’ordre n (Sn) est obtenu lorsqu’une rotation de 360°/n de l’objet autour de l’axe Cn suivie d’une réflexion par rapport à un plan ^ à l’axe Sn donne un autre indiscernable de l’original. De plus, toute molécule qui possède un tel axe impropre montre aussi l’existence d’un centre de symétrie.

Donc, si une molécule possède un plan de symétrie (s) ou un centre de symétrie elle ne sera pas chirale. Elle sera chirale dans le cas ou elle ne possède ni l’un ni l’autre. Par exemple, si elle ne possède que des axes de symétrie Cn, elle sera chirale.

4.2. Activité optique (Vollhardt 5.2)

Les molécules chirales possèdent une propriété intéressante qui permet de les distinguer aisément: elles font tourner le plan de la lumière polarisée. Elles possède ce que l’on appelle un pouvoir rotatoire. Lorsque le plan de la lumière polarisée tournera vers la droite, on dira que la molécule est dextrogyre, alors que dans le cas contraire (vers la gauche) elle sera lévogyre.

Il est intéressant de noter que certains cristaux (tel le quartz) font tourner le plan de la lumière polarisée, et qu’il en est de même pour certaines molécules organiques. Toutefois, l’expérience nous montre que cette propriété des cristaux disparaît si ceux-ci sont fondus et recristallisés, alors qu’elle est toujours présente dans les composés organiques.

Mais tout d’abord, qu’est-ce que la lumière polarisée? (Figures 5.4 et 5.5 Vollhardt p.141-2).

Schéma d’un polarimètre (Figure 5.6 Vollhardt p.142). La raie du sodium est utilisée principalement parce que l’œil humain y est très sensible, et que la raie est très intense.

Prisme de Nicol

Le rayon extraordinaire rencontre moins de molécules (l’arrangement est moins dense) et est moins ralenti dans un des plans du cristal. Par conséquent, comme l’autre rayon est plus ralenti dans le cristal, il se produit un déphasage des deux rayons. Les indices de réfraction, n, du Spar d’Islande sont respectivement de 1,658 et 1,486 pour les rayons ordinaires et extraordinaires. De son côté, le Baume du Canada possède un même indice de réfraction de 1,53 pour les 2 rayons (et est de plus opaque aux U.V.). Ainsi, à l’interface Spar/ Baume étant donné que le rayon se dirige vers un indice de réfraction, n, plus petit et à cause de la géométrie du prisme il se produit une réflexion totale interne qui dévie le rayon ordinaire. En ce qui concerne le rayon extraordinaire, celui-ci émerge du prisme inchangé. Toutefois, la résultante est la création d’un rayon de lumière polarisée.

L’activité optique des composés organiques est mesurée sur un tel polarimètre et quantifiée selon:

ou a représente la rotation optique observée, l la longueur de dm de la cellule, c la concentration en g•mL-1. l est la raie du sodium à 589,3 nm et t°C la température en °C. Ainsi, [a] représente le pouvoir rotatoire spécifique d’un composé chiral.

Le pouvoir rotatoire d’une molécule chirale est une propriété physique caractéristique de celle-ci au même titre que son point de fusion, son point d’ébullition et sa densité.

De plus, si une molécule possède un pouvoir dextrogyre, son énantiomère possédera un pouvoir rotatoire de même valeur, mais de signe lévogyre.

Lorsque deux énantiomères sont présents dans une solution, le pouvoir rotatoire de celle-ci est la somme des pouvoirs rotatoires des espèces présentes. Si les deux énantiomères sont présents à quantité égale, la rotation imposée par l’un des composés sera annulée par le second, et aucune activité optique ne sera observée. De tels mélanges sont appelés mélanges racémiques.

Si par un procédé quelconque un énantiomère se transforme en un autre de manière équilibrée, on observe une racémisation de la solution:


4.3. Configuration absolue, la règle de Cahn-Ingold-Prelog (Vollhardt 5.3)

On sait que la configuration relative de 2 énantiomères est l’opposée l’une de l’autre. Mais qu’en est-il de leur configuration absolue. Il importe tout d’abord de spécifier que la configuration absolue est sans rapport avec le signe de la rotation optique et ne peut être établie qu’avec des mesures comme la diffraction des rayons X. On peut aussi le faire par corrélation chimique avec une structure de configuration connue.

Encart 5.2

La nomenclature des molécules chirales suit ce que l’on appelle le système de Cahn-Ingold-Prelog [Note]. Ce système suit 2 règles fort simples:

Règle 1: La priorité est établie d’après les nombres atomiques des atomes qui sont attachés. En cas de substitution isotopique, le noyau dont la masse atomique est la plus élevée est prioritaire vis-à-vis de celui dont la masse atomique est inférieure.

Règle 2: Si 2 substituants ou plus ont le même grade lorsque l’on considère les atomes attachés au stéréocentre, continuer le long des chaînes substitutives jusqu’à ce l’on atteigne un atome de nature différente qui permette une distinction de priorité (illustration Vollhardt p.148).

Règle 3: Les liaisons multiples sont considérées comme si elles étaient saturées (illustration Vollhardt p.149).

Ensuite, on positionne la molécule de façon à ce que le substituant possédant la priorité la plus faible soit le plus éloigné de l’observateur (Figure 5.7, Vollhardt p.146).

Si l’ordre de priorité suit la rotation des aiguilles d’une montre, la configuration est R (rectus, latin, droit). Si l’ordre de priorité suit la rotation inverse des aiguilles d’une montre, la configuration est S (sinister, latin, gauche). Le symbole est ajouté sous forme de préfixe au nom de la molécule (Favre chapitre 12.2)

Il est utile de pratiquer les orientations des énantiomères à l’aide des mains.

Il est important de mentionner que la chiralité est extrêmement importante pour toute la chimie des systèmes vivants. Par exemple:

• Tous les acides aminés naturels intégrés dans les systèmes vivants possèdent la configuration S dans la classification Cahn-Ingold-Prelog.

• Les composés suivants ne possèdent qu’un seul stéréoisomère à l’état naturel: camphre, menthol, glucose, cholestérol (sur les 256 stéréoisomères possibles)

• La forme lévogyre de l’adrénaline est 12 fois plus active que sa forme dextrogyre.

•La forme dextrogyre de l’asparagine a un goût sucré, alors que sa forme lévogyre a un goût amer.


4.4. Projection de Fisher (Vollhardt 5.4)

La projection de Fisher [Note] est un modèle standardisé de représentation d’atomes de carbone tétraédrique et de leur substituants en 2 dimensions.

Se référer à la figure au bas de la p. 150 dans Vollhardt

Il faut être extrêmement prudent lors de la manipulation des projection de Fisher. Voici quelques opérations et leur résultat:

Rotation de 90° dans le planObtention de l’énantiomère

Rotation de 180° dans le planAucun changement dans la molécule

Permutation de 2 substituantsObtention de l’énantiomère. Aussi tout nombre pair de permutations redonne la configuration absolue du départ, alors qu’un nombre impair de permutations transforme un énantiomère en son image spéculaire.

De plus, les projections de Fisher permettent d’assigner les configurations absolues sans qu’il soit nécessaire de visualiser l’arrangement tridimensionnel des atomes:

On dessine la molécule selon la projection de Fisher, puis on effectue un nombre pair de permutations pour permettre au groupe de plus basse priorité de se retrouver en haut. On regarde ensuite la séquence des 3 autres groupes et on a la configuration R ou S (Figure du milieu de la p.152 dans Vollhardt).


4.5. Diastéréoisomères et composés méso (Vollhardt 5.5-5.6)

Lorsqu’une molécule possède plusieurs atomes de carbone asymétriques, il existe un très grand nombre d’isomères pouvant porter des configurations R ou S sur tous ces centres chiraux.

Prenons par exemple la molécule de 2-bromo-3-chlorobutane telle que présentée à la Figure 5.8 (Vollhardt p.154).

Comme on peut le voir, il existe 4 configurations possibles: RR, RS, SR et SS. Il y a 4 stéréoisomères. Il faut faire attention lorsque l’on dessine les projections de Fisher et se concentrer sur un seul stéréocentre à la fois.

La Figure 5.8 montre aussi que les 4 stéréoisomères présentent 2 paires de composés en relation de réciprocité. Les membres de chaque paire sont des énantiomères l’un de l’autre. Toutefois, ils ne sont pas des images spéculaires de n’importe lequel des autres. S’ils ne sont pas des images spéculaires l’un de l’autre, on les appelle des diastéréoisomères (dia, grec, en travers).

À l’opposé des énantiomères, les diastéréoisomères sont des molécules distinctes possédant des propriétés physiques et chimiques différentes.

La configuration absolue au niveau d’un stéréocentre est démontrée dans la figure 5.9 (p.154).

De plus, lorsque l’on observe les substituants sur des cycles, comme le montre le 1-bromo-2-chlorocyclobutane à la Figure 5.10 (Vollhardt p.155), on peut voir que les isomères cis-trans des cycloalcanes sont en fait des diastéréoisomères.

Maintenant, que se passe-t-il lorsque deux centres chiraux portent les même substituants? Comme par exemple, quel est le nombre de stéréoisomères possible pour la molécule de 2,3-dibromobutane? Comme le montre la Figure 5.11 (Vollhardt p.157) un examen minutieux montre que le stéréoisomères (S,R) et son image spéculaire (R,S) sont superposables! (Effectuez une rotation de 180° dans le plan). Un tel composé, qui contient plusieurs centres chiraux, mais qui est superposable à son image spéculaire est un composé méso (mesos, grec, du milieu). Un trait caractéristique d’un composé méso est qu’il contient un plan de réflexion (s) qui transforme tout stéréocentre en son image spéculaire (Figure 5.12, Vollhardt p.157) et est donc optiquement inactif.

Le même genre d’analogie peut être fait avec les composés cycliques comme le 1,2-dibromocyclobutane présenté à la Figure 5.13 (Vollhardt p.158). Le composé disubstitué cis est une forme méso.

Encart 5.3

Il faut aussi se rappeler que les stéréocentres ne doivent pas obligatoirement être adjacents pour engendrer des diastéréoisomères. Il est ici aussi possible d’obtenir des formes méso si le patron de substitution des 2 centres chiraux est le même (voir la Figure au haut de la p. 158 dans Vollhardt).

Combien exactement de stéréoisomères est-il possible d’obtenir? D’une façon générale, un composé possédant n stéréocentres peut avoir au maximum 2n stéréoisomères. Ce nombre diminue rapidement si la molécule peut présenter des formes méso.

Il existe aussi un autre type de nomenclature utilisé pour les diastéréoisomères. Prenons l’exemple suivant (les substituants sont classés Small, Medium et Large):

Lorsqu’au moins 2 des substituants portés par les C* sont identiques ou similaires et que les 3 couples S-M-L peuvent être éclipsés 0° dans la projection de Newman, ou se retrouvent du même côté dans la projection de Fisher, on dit qu’il s’agit de diastéréoisomères érythro. dans le cas contraire, il s’agit de diastéréoisomères thréo. Il est a noter que si les substituants sont identiques, les diastéréoisomères érythro donne une forme méso. Ces façons de nommer les diastéréoisomères provient de 2 sucres en C4, le thréose et l’érythrose dont voici les structures:


4.6. Stéréochimie et réactions chimiques (Vollhardt 5.7)

Lorsque, dans une molécule non chirale, l’on considère la position de deux hydrogènes voisins (comme montré à la Figure 5.14, Vollhardt p.161) qui lors d’une réaction chimique peuvent donner lieu à la création d’énantiomères, on appelle ces hydrogènes des énantiotopiques. C’est-à-dire que l’environnement autour de l’un d’eux est l’image spéculaire de l’autre. Comme ces hydrogènes sont chimiquement équivalents, leur arrachement va créer une espèce radicalaire ou ionique (un radical ou un carbocation) qui pourra générer un mélange racémique. Ainsi, la formation de composés chiraux à partir de composés achiraux fournit des mélanges racémiques (mécanisme SN1).

Il existe toute une section de la chimie fine qui vise à synthétiser des molécules en gardant l’activité optique. Ces molécules inversent (mécanisme SN2) ou préservent la configuration des stéréocentres, elles sont stéréosélectives. Toutefois, l’étude de ces mécanismes dépasse le cadre de ce cours.


4.7. Résolution des mélanges racémiques (Vollhardt 5.8)

Il existe un moyen de séparer un mélange racémique. Il faut se rappeler que la seule chose qui distingue deux énantiomères c’est leur activité optique, toutes les autres propriétés étant égales.

Il est vrai cependant que les cristaux formés par ces molécules seront de forme inversées, mais il est impossible d’utiliser industriellement une méthode de séparation basée sur un tel phénomène (encart 5.3).

Il existe toutefois une autre façon de faire: utiliser des diastéréoisomères. On fait réagir notre substrat racémique avec un réactif chiral, et nous obtenons un couple de diastéréoisomères. Les propriétés de ceux-ci étant différentes, on les sépare et on récupère le réactif de départ en régénérant nos énantiomères maintenant séparés. Ce processus est schématisé à la Figure 5.16 (Vollhardt p.167) et un exemple concret est montré à la Figure 5.17 (Vollhardt p.168).

Il existe aussi de nouvelles colonnes chirales pour chromatographie liquide à haute pression (HPLC) qui contiennent un support de cyclodextrines.

a-cyclodextrine

Notions importantes pages 168 et 169.

Encarts du chapitre 5

Tous les problèmes sauf 19, 20, 23, 26 bc des pages 169 à 174 peuvent être faits.

4.8 Exercices de nomenclature

Faire les exercices de nomenclature qui sont présentés dans Favre

Autres exemples: (réponses après les structures)

a) b)

Réponses:

a) cis ou (1R,2S)-1-éthyl-2-méthylcyclohexane

b) (3S)-3-éthyl-2,2,6-triméthylnonane (préféré, règle UICPA-13.11h)
ou (3S)-3-(1,1-diméthyléthyl)-6-méthylnonane


Table des Matières

sylvain.robert@uqtr.ca